Entschlüsselung der Genome von <i>Ralstonia eutropha</i> H16 und <i>Methanosphaera stadtmanae</i> und vergleichende Untersuchungen zu Anpassungen der Genomorganisation

Abstract

Die Genome von zwei Mikroorganismen - Ralstonia eutropha H16 und Methanosphaera stadtmanae - wurden nach der whole-genome shotgun -Methode sequenziert und mit Schwerpunkt auf der komparativen Analyse der Genome und dazu verwandter Stämme und Spezies untersucht.Das Gram-negative β-Proteobacterium R. eutropha H16 ist in Bezug auf seine fakultativ chemolithoautotrophe und anaerobe Lebensweise charakterisiert worden und dient als Modellorganismus für eine Reihe unterschiedlicher Stoffwechselwege, zu denen die Produktion biologisch abbaubarer Polymere oder die Untersuchung H2-abhängiger Prozesse gehören. Die ausgeprägte metabolische Vielseitigkeit von R. eutropha H16 spiegelt sich in der dreigeteilten Genomstruktur wieder, die sich aus zwei Chromosomen (Chr.1: 4,053 MBp und Chr.2: 2,912 MBp) und dem bereits sequenzierten Megaplasmid pHG1 (452,156 Bp; Schwartz et al., 2003) zusammensetzt. Beide Chromosomen zeichnen sich durch ähnliche G+C-Gehalte (66.5 % und 66.3 %) und vergleichbare Anteile von kodierenden Sequenzen (87.8 % und 88.8 %) und Fremd-DNA aus (5 % und 13 %) Diese Werte weichen deutlich von denen des Megaplasmids ab (G+C: 61.3 %; kodierende Sequenzen: 80.5 %; Fremd-DNA: 34 %). Das Genom zeigt eine ungleiche Verteilung kodierener Eigenschaften, indem wesentliche Haushaltsgene vorwiegend auf Chr.1 und zusätzliche Funktionen mit selektivem Vorteil unter speziellen Wachstumsbedingungen auf Chr.2 und pHG1 kodiert sind. Im Gegensatz zu Chr.1 zeigen die Replikationsursprünge von Chr.2 und pHG1 typische Merkmale eines plasmidären Origins. Bidirektionale BLAST-Vergleiche identifizieren nur geringe Konservierung der Genzusammensetzung und -ordnung zwischen Chr.1, Chr.2 und pHG1 und deuten auf unterschiedliche evolutive Ursprünge dieser Replikons. Ein signifikanter Grad von Gen-Syntenie zwischen den größten Chromosomen der Genome verschiedener Burkholderiaceae weist dagegen auf einen gemeinsamen Vorläufer dieser Replikons und damit der zugehörigen Genome insgesamt hin.Methanosphaera stadtmanae lebt als methanogener Kommensale im menschlichen Dickdarm. Mit der Reduktion von Methanol, das aus Pektinen pflanzlicher Zellwände stammt, zu Methan verfolgt Msp. stadtmanae eine eingeschränkte Form der Methanogenese. Das Genom von Msp. stadtmanae besteht aus einem einzelnen zirkulären Replikon von 1,767,405 Bp Länge und ist charakterisiert durch die niedrigste Anzahl kodierender Sequenzen (CDS), die in bisher sequenzierten Methanogenen und den niedrigsten G+C-Gehalt, der in bisher sequenzierten Archaeen gefunden wurden. Metabolische Einschränkungen von Msp. stadtmanae im Vergleich zu anderen Methanogenen werden durch die Abwesenheit von kodierender Sequenzen für elementare Komponenten des methanogenen und autotrophen Stoffwechsels begründet. Unter denjenigen CDSs, zu denen keine Homologe in anderen Archaeen existieren, gehören Gene, die in Bakterien mit der Biosynthese von Zellwandkomponenten in Verbindung gebracht werden sowie eine Gruppe von sehr homologen und ungewöhnlich langen CDSs, die für potenzielle Transmembranproteine mit repetitiver Struktur kodieren. In Analogie zu Mechanismen, wie sie in pathogenen Bakterien beobachtet wurden, könnte eine Anpassung von Msp. stadtmanae an das intestinale Habitat in der Expression langer repetitiver CDSs liegen, um phänotypische Variabilität zu erzeugen und den Organismus dadurch vor dem menschlichen Immunsystem zu verbergen.